PMC

Az oxigén (O2) a fotoszintetikus elektrontranszport során keletkezik, amikor a vizet az oxigénbontó komplex hasítja, hogy protonokkal és elektronokkal lássa el a kloroplasztikus elektronláncot, ezáltal ATP-t és NADPH-t generálva – a növényi anyagcsere energiaforrását és redukáló erejét. E kémiai energia nagy része a fotoszintetikus szénanyagcserét hajtja, amely ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxilálásból (fotoszintetikus szén redukciós ciklus) és oxigénezésből (fotoszintetikus szén oxidációs ciklus) áll; az együttes elektronszükséglet = JA. Minden egyes keletkezett O2-hez négy elektronra van szükség, így a bruttó O2-termelés (GOP) a lineáris elektrontranszporthoz (J) J/4 szerint kapcsolódik. Ha a lineáris elektrontranszportot csak a CO2-fixáció meghajtására használjuk, akkor az O2-fogyasztás és a CO2-felszabadulás a fotoszintetikus szénoxidáció és a mitokondriális légzés révén olyan, hogy a nettó O2-termelés (NOP) megegyezik a nettó CO2-asszimilációval (Anet; feltéve, hogy a légzési hányados 1, de lásd Tcherkez et al, 2017).

Kiegészítésképpen az elektronok felhasználhatók alternatív, nem ciklikus elektrontranszportra (ANCET), beleértve például magának az O2-nek a fotoredukcióját reaktív oxigénfajokat képezve (Mehler-peroxidáz reakciók vagy “víz-víz ciklus”; Asada, 1999), kloroplasztikus anabolizmust (pl. lipidek; Stumpf et al., 1963), az oxalacetát maláttá történő redukciója (amely a mitokondriumba exportálódik; Scheibe, 2004) és a nitrogénasszimiláció (Bloom et al., 1989). Az ANCET-ről feltételezték, hogy egyrészt az ATP/NADPH arányt szabályozza a sejtanyagcsere változó energiaigényének kielégítése érdekében, másrészt olyan mechanizmusként, amely megakadályozza a fotokárosodást a felesleges reduktáns felhasználása révén, amikor a fotonáram-sűrűség meghaladja a CO2-fixálás energiaigényét (pl. magas besugárzás, hideg hőmérséklet, sztómákat záró vízstressz esetén; pl. Badger, 1985; Ort és Baker, 2002; Robinson, 1988). Fontos, hogy nincs hivatalos bizonyíték arra vonatkozóan, hogy az elektronáramlások hogyan hatnak egymásra, különösen ingadozó fényviszonyok mellett (Morales et al., 2018).

Mivel az ANCET lehetővé teszi a lineáris elektrontranszport nagyobb sebességének fenntartását, a teljes elektrontranszport (Jt) nagyobb lesz, mint a JA. Ezzel szemben az O2-felvételre gyakorolt hatás az érintett metabolikus útvonaltól függ. Például a Mehler-peroxidáz reakciókban nincs nettó változás az O2-ben, így a NOP egyenlő marad az Anet-tel. A nitrát redukciójában azonban az N-hez kötött O2-termelés és az O2-fogyasztás közötti arány nagymértékben függ a szintetizált aminosavtól (Noctor és Foyer, 1998). Ebben az esetben a NOP nem lesz mindig egyenlő az Anet-tel, mert az O2 és a CO2 nem biztos, hogy egyensúlyban van az anyagcsere során (Skillman, 2008). Következésképpen a CO2- és O2-áramlás egyidejű mérése fontos annak megértéséhez, hogy a növények hogyan szabályozzák a fényenergia felhasználását, mivel a különböző sorsok nagyon eltérő metabolikus eredményekkel járnak.

Az O2-fejlődés legkorábbi mérései nem tudták megkülönböztetni a GOP-ot az O2 felvételétől (Hill, 1937). A Mehler és Brown (1952) által létrehozott tömegspektrometriás módszer megoldotta ezt a problémát azzal, hogy O2 izotópos nyomjelzőket alkalmazott a 16O2 és 18O2 áramlás független nyomon követésére. Ennél a módszernél tiszta 18O2-t juttattak egy zárt kamra gázfejterébe, és a 18O2 csökkenését az O2-felvételnek tulajdonították. A keletkezett O2 ugyanazt az izotópösszetételt hordozza, mint a víz, amelyből keletkezett; ebben az esetben a víz domináns izotópja a 16O volt (1. ábra). A 18O-jelöléses megközelítést a továbbiakban levéllemezekre (pl. Tourneux és Peltier, 1995), teljes kivágott levelekre (pl. Volk és Jackson, 1972) és egész növényekre (Gerbaud és André, 1980) alkalmazták, megvilágítva az O2 in vivo sorsát.

A zárt gázcserélő rendszerek korlátja, hogy a CO2-koncentráció kimerülése előtt csak rövid ideig (másodpercektől percekig) lehet méréseket végezni. Következésképpen a CO2:O2 arány nem állandó, ami megváltoztatja a karboxiláció és az oxigenizáció relatív sebességét, így a GOP és az O2 felvétel becslései pontatlanok lesznek. Ezt a korlátozást a tömegspektrometriás megközelítésben úgy hidalták át, hogy az elfogyasztott CO2-t a kamrába történő időszakos CO2-beáramlással helyettesítették, ami lehetővé tette az állandósult állapotú mennyiségi meghatározást, és kiterjesztette az O2-áramlás mérésének lehetőségét különböző körülmények és fiziológiai állapotok mellett (Canvin és mtsai., 1980). Ezzel egyidejűleg előrelépés történt a klorofill fluoreszcencia használatában, amely információt szolgáltat a PSII kvantumhozamáról (Baker, 2008). Genty és munkatársai (1989) empirikus kapcsolatot teremtettek a fluoreszcencia és az elektrontranszport sebessége között, ami felváltotta az O2-fejlődés közvetlen mérésének szükségességét. A klorofill-fluoreszcencia ma az egyik legnépszerűbb technika a növényfiziológiában, mivel könnyen használható és viszonylag olcsó. Ehhez hozzájárult, hogy a fluoreszcenciaméréseket a H2O- és CO2-gázcserével multiplexelni lehet a hordozható, kereskedelmi forgalomban kapható műszerekben, ami lehetővé teszi a növényi működés mérését a laboratóriumon kívül is. Ennek következtében az O2-áramlás in vivo mérései az elmúlt 20 évben jelentősen visszaszorultak.”

A Plant Physiology ezen számában Gauthier és munkatársai (2018) emlékeztetnek minket arra, hogy miért olyan fontos visszatérni az O2-re, és egy új, elegáns, nyílt útvonalú rendszert biztosítanak számunkra az O2-áramlás mérésére. Módszerük egy “fordított” izotópos megközelítés, amely nem a levegő, hanem a levélvíz 18O-jelölését foglalja magában, így a vízhasadás során keletkező O2 izotópos összetétele a környezeti O2-étól nagyon eltérő szignatúrával rendelkezik (1. ábra). A jelentős 18O-dúsítás alkalmazása elengedhetetlen, mivel a NOP hozzájárulása a 21%-os O2-háttérben valószínűleg 0,05%-os nagyságrendű (pl. 100 μmol mol-1 NOP/210 000 μmol mol-1 környezeti O2), így a levelet körülvevő levegőben lévő NOP-hoz kapcsolódó O2 δ18O változását általában nehéz pontosan kimutatni.

A módszer továbbra is rendkívül technikai jellegű, és három nagy pontosságú műszer használatát igényli. A CO2- és H2O-gőz izotópos összetételét és koncentrációját lézerspektroszkópiával, a δ18O2-t és a δO2/N2-t (az O2-koncentráció becslésére) pedig tömegspektrometriával mérik. A kivágott levél és a hozzá tartozó 18O-jelölt vízforrás elhelyezéséhez egy egyedi készítésű kamrára is szükség van, amely segít megelőzni a levélnyél körüli tömítéseken keresztüli szivárgást. Fontos, hogy a nyitott gázcsere-rendszer javítja az állandósult állapotú mérések elérésének lehetőségét, és a víz címkézése a tiszta 18O2 gáz használatával szemben megoldja a megfizethetőség kérdését, ami nagymértékben korlátozta a nyitott rendszerek elfogadását.

Míg a klorofill-fluoreszcencia népszerűvé vált az elektrontranszport sebességének mérésére, nem mentes a feltételezésektől. Például gyakran feltételezik, hogy a levelek a beeső fotonok 84%-át elnyelik, és hogy e fotonok 50%-át a PSII nyeli el; ez azonban nem mindig van így (Baker, 2008). Ez az elektronszállítási sebesség túlbecsléséhez vezethet, ha a fluoreszcenciából számítják ki, összehasonlítva a GOP mérésekkel. Továbbá a JA pontos meghatározása különösen fontos a mezofillum konduktancia becslése szempontjából, amely a Gauthier et al. (2018) által kiemelt egyik alkalmazás volt. A Mehler-peroxidáz reakciók, amelyekről kimutatták, hogy 0% és 30% között mozognak (Driever és Baker, 2011), mindkét módszer esetében a fotoszintetikus szén redukciós/oxigenizációs ciklusokhoz kapcsolódó elektronáramlások túlbecsléséhez vezetnének. Az izotópjelöléses megközelítés előnye azonban az, hogy a Mehler-reakció hozzájárulása a bruttó O2-termeléshez számszerűsíthető a GOP és a NOP mérések összekapcsolásával (pl. Furbank et al., 1982; lásd az 1. ábrát). Most, hogy újra lehetőségünk van az O2-áramlás mérésére, ezeket a feltételezéseket nem szabad figyelmen kívül hagyni.

A hatékonyság és a fotoprotekció közötti kompromisszum megértésén túl a jobb mezőgazdasági termelés érdekében (Murchie és Niyogi, 2011), a különböző elektronsorsoknak fontos következményei vannak a globális O2-áramlás megértésére. Különösen a fotorespirációval, a mitokondriális légzéssel és a Mehler-peroxidáz reakciókkal kapcsolatos O2-felvételnek különböző izotópfrakciós tényezői vannak (Guy et al., 1993), így az egyes útvonalak fluxusainak számszerűsítése szükséges a globális primer termelés δ18O információból történő becslésének korlátozásához (Welp et al., 2011).

Eljött az ideje, hogy újragondoljuk az O2-fluxusok mérését, és a Gauthier et al. (2018) által kifejlesztett új módszer biztosítja számunkra az ehhez szükséges kapacitást.